裂隙类岩体蠕变力学特性实验及PFC数值模拟研究

摘要

近年来,由于我国一大批重大岩土工程项目的开工建设,岩体流变问题成为了岩土工程领域急需解决的问题,岩体的流变特性愈发受到岩土工作者的重视,但岩体作为一种最常见的工程材料其流变特性会受到自身岩性、节理产状、荷载水平等多方面的影响。为了定性研究岩体中裂隙情况、应力水平对于岩体流变特性的影响,本文以类岩石材料为研究对象,采用YSJ-01-00岩石三轴压缩流变试验仪和YZJL-300岩石直剪流变仪对完整试样和预制裂隙试样开展单轴蠕变和剪切蠕变试验。基于实验数据结合理论分析和PFC数值模拟研究了不同裂隙情况下的岩体蠕变特性,具体研究内容和主要结论如下:(1)通过直剪实验和剪切蠕变实验,获得了类岩石材料的基本剪切力学参数及其剪切蠕变特性随裂隙长度、裂隙角度的变化规律。在荷载作用下,预制裂隙尖端最先产生裂纹,并逐渐向两侧延伸贯通导致试样破坏。(2)通过单轴压缩和三轴蠕变实验,获得了类岩石材料的单轴力学参数及其三轴蠕变特性随裂隙角度和应力水平的变化规律。试样长期强度随角度的增加而增加,最终破裂模式也受到裂隙倾角的影响。(3)总结了元件模型及元件组合模型的基础理论,选用提出的非线性粘弹塑性蠕变模型分别拟合单轴蠕变和剪切蠕变实验曲线,并完成了参数辨识,对比结果表明二者吻合度较高。(4)基于理论模型,在PFC中开发出新的非线性粘弹塑性蠕变模型,通过数值模拟数据和理论数据的对比表明了新开发的蠕变本构模型的正确性。(5)基于实验数据,验证了新开发的蠕变接触模型模拟岩石蠕变的可行性,研究了各蠕变参数对试样瞬时力学特性的影响,总结了参数标定规律。(6)以建立的数值试样为基础,研究了裂隙长度、围压水平对三轴蠕变特性和裂纹扩展的影响。裂隙长度越长,瞬时应变量和蠕变量都越大,长期强度越小。围压水平越高,瞬时应变量和蠕变量都越小,长期强度越大。裂纹都是由裂隙尖端向边缘扩展贯通导致试样破坏,但围压会抑制裂纹的扩展。

目录

摘要

Abstract

第一章 引言

1.1 选题依据及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 岩体蠕变室内试验研究现状

1.2.2 岩体理论模型研究现状

1.2.3 岩体蠕变数值模拟研究现状

1.3 研究内容与技术路线

1.3.1 研究内容

1.3.2 技术路线

第二章 裂隙类岩石剪切蠕变实验研究

2.1 含裂隙类岩石的制备

2.2 类岩石试件的瞬时剪切实验

2.2.1 实验设备

2.2.2 瞬时剪切实验方案及步骤

2.2.3 瞬时剪切实验结果分析

2.3 类岩石剪切蠕变实验

2.3.1 实验设备

2.3.2 实验方法

2.3.3 实验步骤

2.4 裂隙试件剪切蠕变实验结果及分析

2.4.1 剪切蠕变全过程曲线特征分析

2.4.2 裂隙倾角对于剪切蠕变特性的影响

2.4.3 裂隙长度对于蠕变特性的影响

2.5 本章小结

第三章 裂隙类岩石三轴蠕变实验研究

3.1 类岩石常规单轴压缩变形试验

3.1.1 试验设备及方法

3.1.2 单轴压缩试验结果及分析

3.2 类岩石三轴蠕变实验

3.2.1 实验设备

3.2.2 实验步骤及方法

3.2.3 三轴蠕变实验结果分析

3.2.4 裂隙倾角对蠕变特性影响分析

3.3 本章小结

第四章 蠕变模型选择及参数辨识

4.1 元件组合模型简介

4.1.1 基本元件

4.1.2 分数阶微积分理论

4.1.3 组合模型

4.2 剪切蠕变模型选择及参数辨识

4.2.1 剪切蠕变模型选择

4.2.2 剪切蠕变参数辨识

4.3 三轴蠕变模型选择及参数辨识

4.3.1 三轴蠕变模型选择

4.3.2 参数辨识

4.4 本章小结

第五章 PFC颗粒流程序简介及二次开发

5.1 PFC基本原理

5.2 离散元中的基本接触模型

5.2.1 接触刚度模型

5.2.2 滑动模型

5.2.3 黏结模型

5.3 平行黏结模型

5.4 PFC中接触本构模型的开发

5.4.1 基于离散元单元法的非线性黏弹塑性蠕变模型

5.4.2 PFC中接触本构模型的开发方法及结果验证

5.5 本章小结

第六章 岩体蠕变的离散元模拟

6.1 蠕变模型细观参数对瞬时力学特性的影响

6.2 细观参数的选取及模拟结果验证

6.3 裂隙对三轴蠕变特性的影响

6.3.1 裂隙试样模型

6.3.2 围压对于含裂隙试样三轴蠕变特性的影响

6.3.3 裂隙长度对于蠕变特性的影响

6.4 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献